視頻分析軟件在物理教學中的應用

高慧麗 熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

在科學技術迅猛發展的今天，多媒體技術在物理教學中的應用越來越多；它以圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現形式將課堂教學帶入全新的境界．多媒體技術可以使傳統的課堂更加生動，把抽象的東西形象化，受到廣大師生的喜愛．

視頻分析軟件Tracker填補了以前視頻工具只能播放不能分析的空白，可以為物理教學所用．視頻分析技術進入中學課堂，不僅成為信息技術與物理課程整合、教育手段現代化的一個新的突破口,突出物理學科重視實際應用的特點．而且激發學生學習科技的興趣,培養學生情感態度與價值觀．所以筆者嘗試將Tracker軟件應用于物理教學中，挖掘它對物理教學的輔助作用．

1 探究自由落體運動規律

1.1 選取合適的運動視頻

要研究的運動視頻可以是自己拍攝的，也可以是從網站上截取自己需要的視頻片段．在這里筆者選取小鋼珠的自由落體運動進行研究(圖1)．

圖1

1.2 研究方法分析

研究物體的運動主要回答兩個問題:物體在t時刻處于什么位置；物體在t時刻處于什么運動狀態．在中學范圍內,實際上就是找出位移與時間的函數關系s=f(t),速度與時間的函數關系v=g(t)．找出這些函數關系，就可以知道物體運動遵循什么樣的運動規律．

1.3 由一般到特殊的演繹探究

在探究自由落體運動規律之前，人教版教材已經安排學習了勻變速直線運動，學生已經了解了勻變速直線運動的特點：

(1)加速度a不變；

(2)位移時間s-t圖像是拋物線；

(3)速度時間v-t圖像是一條直線．

只要能證明自由落體運動符合其中一個特點，就能說明自由落體運動是勻變速直線運動．

圖2

如圖1所示，對自由落體運動進行視頻跟蹤后，對y-t函數曲線進行擬合，擬合公式為

y=at2+bt+c

結果證明其圖像符合二次函數曲線(圖2)；或者選擇v-t圖像，對v-t函數曲線進行擬合

vt=at+b

圖像符合一次函數數曲線(圖3)．兩個結果都說明自由落體運動表現出勻變速直線運動的特點，則充分證明自由落體運動就是勻變速直線運動，而且是初速度為零的勻變速直線運動．

圖3

自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動，則遵循規律

根據圖2擬合的參數可以知道加速度a=9.78 m/s2；也可以根據圖3擬合的參數求出加速度a=9.87 m/s2．在誤差范圍允許內，這兩個加速度可以認為是相同的，跟標準值a=9.8 m/s2很接近．從而完成了對自由落體運動規律的探究：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，其物理規律為

1.4 由特殊到一般的歸納探究

粵教版教材安排學生先學習自由落體運動，再學習勻變速直線運動．對自由落體運動的探究只能依賴于數學工具，看它運動的s-t圖像和v-t圖像分別是什么函數，那它就符合該圖像對應的函數關系，也就是運動所遵循的規律了．

前文已經描述，如圖1，對自由落體運動進行視頻跟蹤后，選擇需要的函數圖像進行分析．對函數圖像擬合分析知，鋼球做自由落體運動的s-t關系曲線符合二次函數的圖像(圖2)，根據擬合參數，其函數關系為

s=4.89t2+2t-0.5

鋼球做自由落體運動的v-t關系曲線符合一次函數的圖像(圖3)，根據擬合參數知道其函數關系為

v=9.87t+2

由于在選取坐標時，選擇t=0時，y=0,v0=0.于是運動規律近似為

s=4.9t2v=9.87t

顯然鋼球做初速度為零的加速運動，由于速度與時間的關系遵循一次函數曲線，速度是均勻增加的，可知運動的加速度是恒定的．根據加速度定義，知道其大小等于速度-時間圖像的斜率，即加速度a=9.87 m/s2．在誤差允許范圍內，這與習慣表達式可以認為是一致的,即

2 視頻分析軟件的物理教學價值

2.1 集合了視頻教學和實驗教學的優點

將真實的物理情景和物理數據(圖像)結合、對應起來,符合建構主義的教學思想,更能反映物理現象的本質,深化了學生對物理規律的理解．視頻揭示了實驗的現象,數據(圖像)直觀地反映了實驗現象所對應的物理規律,兩者同步起來,相得益彰,突破教學難點．例如，研究在下端裝有彈簧的斜面上運動的小滑塊(圖4)的運動規律，運用此視頻分析軟件就可以很清楚地了解．

圖4

用此軟件教學能夠激發學生的學習興趣,培養學生捕捉信息、獲取信息、處理信息的能力；能提高課堂教學效率，使學生仿佛身臨其境,從而有效地啟發學生思維,激勵學生參與教學過程,充分發揮學生學習的主體作用．

2.2 實驗視頻和數據采集視頻可同步播放

有的物理實驗現象轉瞬即逝,學生可能還沒觀察清楚就過去了.利用視頻分析軟件可以讓學生反復觀察.倘若變化太快,還可以使軟件一幀一幀地播放視頻，甚至可以停在某一處仔細觀察,“暫停”這樣一個小小的功能會給物理教學帶來意想不到的方便和直觀．例如在研究簡諧運動時，軟件可以同時繪出位移圖像和速度圖像，學生可以觀察視頻每一幀對應的數據(圖像)，尤其是在最大位移處速度為零，零位移處速度最大．如圖5所示，繪圖欄的方框處則是對應此幀的位移或者速度圖像以及同步的時間、位移、速度等數據．

圖5

2.3 彌補了實驗教學的不足

很多實驗現象是很難直接測量的，利用視頻分析軟件可以將不能測量的現象拍攝下來，經過處理即可得到現象中所蘊藏的物理規律．例如，一輛車中懸掛一個小球，在車勻速運動的過程中小球的運動是怎樣的？(圖6)我們可以將這一現象錄制下來，通過視頻分析軟件分析得出懸掛小球的運動規律．物理實驗教學的成功經驗表明，把物理現象和規律納入學生的可視化范圍，讓學生“看到現象”是實驗成功的關鍵．可見，視頻分析技術解決了傳統的實驗無法解決的問題，還可以使得學生對很多運動規律有一個視覺認識，而不只是停留在理論推導上．

圖6

3 總結

視頻分析軟件在某種程度上緩和了學校實驗儀器不足,在一定程度和一定范圍內能夠改變“畫實驗”、“講實驗”的狀況,為學生學習提供一個比較真實的認知環境．信息化的實驗手段可以拓展學生探究日常生活中物理現象的能力,從而能激發學生探究的欲望,強大的數據處理能力有利于學生通過努力發現問題尋找規律．所以，把視頻分析技術引入物理教學是至關重要的． 視頻分析技術應用于物理教學，在教學方法上實現了多樣化；在教學模式上,使個別化學習和交互式教學二者的結合成為可能；在教育觀念上，為教育的發展提供了新思路,體現了信息技術與物理課程混合式學習的整合理念．

參考文獻

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